NOPD技术在转子压缩机减振中的应用研究

黄 波，陆寅啸

（上海日立电器股份有限公司，上海 201206）

NOPD技术在转子压缩机减振中的应用研究

黄 波，陆寅啸

（上海日立电器股份有限公司，上海 201206）

压缩机泵体轴系振动会导致电机气隙不均，从而引起电机电磁振动加剧。传统阻尼技术无法应用于压缩机内部的高温、高压环境。为了降低泵体轴系振动，采用非阻塞性颗粒阻尼减振技术（NOPD技术）设计专门用于泵体减振的NOPD减振器。为得到效果较优的NOPD减振器设计参数，针对某款变频压缩机设计4种不同颗粒填充数、腔体材质的NOPD减振器，安装在电机转子的平衡块位置处。整机振动实验结果表明：与未安装NOPD减振器的批量机相比，安装NOPD减振器的试制机壳体振动均明显下降。颗粒填充数量越多，减振器减振效果越好。

振动与波；转子压缩机；NOPD减振器；试验研究

压缩机轴系振动是压缩机的主要振源之一，由其引起的气隙不均还将导致电磁振动加剧。由于压缩机内部的高温高压环境使得干摩擦、黏弹性材料等传统阻尼技术无法有效运用于压缩机轴系。为此，本文将采用一种非阻塞性颗粒阻尼（NOPD）技术对压缩机轴系进行减振处理。NOPD技术是20世纪90年代由Panossian提出的一种区别于干摩擦、黏弹性材料等传统阻尼技术的微小颗粒阻尼减振技术[1–2]。该技术具有附加质量少、对结构外形改动小、阻尼特性稳定且在极端温度条件下不易老化等优点，解决了传统黏弹性阻尼材料因热老化、脆裂引起阻尼性能下降的问题。

在NOPD技术理论研究方面，方江龙等根据分子动理论基本原理[3]，建立了非阻塞性颗粒阻尼能量耗散的定量模型，发现颗粒阻尼的能量耗散功率随着颗粒直径的增大、颗粒层数的增多、材料密度的增加以及振动强度的提高逐渐提高。张凯等基于振动颗粒物质的流变特性，研究了NOPD的阻尼效果和其内部阻尼颗粒运动形态之间的关系[4]，通过实验确定了NOPD发挥最优阻尼效果时其内部颗粒的运动形态，使用离散元仿真分析了最优阻尼颗粒的耗散特性。姚冰提出了一种非线性颗粒阻尼器的线性等效方式[5]，能够在给定的振动环境下充分体现颗粒阻尼的耗能特点。

在实际应用方面，于刚华对将NOPD技术应用于板结构的声辐射控制进行了实验研究[6]，采用NOPD技术设计了一种多层复合板，根据四边固定薄板结构的模态振型，对不同的NOPD填充形式，进行声学实验及效果评价，确认了运用NOPD技术抑制板结构声辐射的有效性。张向东分析了颗粒阻尼技术应用于建筑结构的可能性[7]，对颗粒阻尼在建筑物上应用的具体位置和安装方式提出了指导意见。NOPD技术已经成功运用于建筑、机械以及航空航天领域，但在压缩机上的应用并不多见。相比于传统阻尼技术，NOPD阻尼器所具有的结构简单、耐高温、抗老化、减振频带宽和冲击力较小等优点，非常适合在压缩机内部高温高压环境中的使用[8]。

1 NOPD减振技术

1.1 NOPD减振机理

NOPD减振机理是在结构振动较大的区域附着或者在结构上开设空腔，在空腔内部装填细小颗粒，依靠颗粒与颗粒以及颗粒与腔体之间的非弹性碰撞和摩擦消耗系统的振动能量以达到减振目的[9，10]。对于低频振动，振动能量的损耗主要依靠颗粒之间以及颗粒与腔体之间的摩擦；对于高频振动，振动能量主要依靠颗粒之间以及颗粒与腔体之间的碰撞进行动量交换，并转换成热能消耗掉。

根据能量耗散原理，颗粒阻尼器的耗能分为弹性碰撞耗能和摩擦耗能。对于发生碰撞接触的任意两个颗粒，其弹性碰撞能耗为[11]：

mi、mj分别为颗粒i、j的质量；e为颗粒的弹性碰撞恢复系数，Δv为两颗粒碰撞前的相对速度。

颗粒间的摩擦能耗由摩擦力做功确定，可表示为

μ为颗粒间的摩擦系数，FXij为颗粒间的法向接触力，δt为颗粒间的相对位移。对于颗粒与阻尼器壁之间的能量损耗的计算，可以将式（1）、式（2）中的颗粒j看作是阻尼器壁，则计算方法一致。系统的总能量损耗可表示为

1.2 NOPD减振技术的影响因素

由式（1）至式（3）可以看出，NOPD减振器的减振效果与颗粒的质量、数量、恢复系数、颗粒间的相对位移等因素有关。实际反应在颗粒的材质、粒径大小、数量以及腔体的填充率上。腔体内颗粒的数量对振动体振动能量的损耗有显著影响，一般颗粒数量越多，其减振效果越好。但同时应确保颗粒之间具有足够的运动空间。

颗粒粒径对减振器减振效果也有明显影响。在颗粒碰撞间隙足够大的前提下增大颗粒直径有利于提升减振效果。但在腔体体积一定的条件下会导致可填充颗粒数量的降低。在实际使用时，一般选择小粒径的颗粒，这样可以增加颗粒数量，提高减振器的阻尼效果。

颗粒材质可以是金属也可以是非金属。在颗粒粒径、数量相同的情况下，杨氏模量越大、密度越大的颗粒材质减振效果越好。

除了颗粒自身参数外，NOPD减振器的腔体体积和颗粒填充率对减振器的阻尼效果也有影响。一般增大腔体体积、提高填充率能有效提升减振器的减振效果。对于给定尺寸的空腔，存在最佳填充率。填充率过大，会导致颗粒之间缺乏足够的运动空间，抑制了颗粒之间的碰撞、摩擦；填充率过小，则颗粒数量不足，两者都会降低减振器的减振效果。

2 用于压缩机轴系的NOPD减振器设计

压缩机泵体轴系振动最大的部位是曲轴端部的转子。图1是压缩机轴系的典型组成结构，电机转子、消声器、上下缸盖、气缸、滚动活塞等部件通过曲轴连接在同一轴系上。其中，缸盖与气缸、消音器由螺钉紧固为一体，再采用局部点焊接的方式将缸盖与壳体固定在一起。工作时，电机转子在电磁力作用下高速旋转并带动曲轴一起转动。这一过程中，整个轴系振动最大的区域就是转子部分。为了有效降低轴系的振动，本文设计了用于泵体轴系减振的NOPD减振器。

图1 压缩机轴系示意图

用于压缩机泵体轴系减振的NOPD减振器设计主要依据式（1）至式（3）的能耗原理，根据安装位置的实际条件，在确保压缩机安全、可靠运行的前提下，腔体内部尽可能多地填充颗粒，颗粒的质量应尽可能大。本文以我公司一款6极9槽变频压缩机为研究对象，设计了4种不同参数的用于转子减振的NOPD减振器。考虑到转子的实际结构以及为了尽量避免添加减振器引起转子平衡量的变化，转子NOPD减振器设计为圆环形式，具体参数见表1。

由于NOPD减振器减振效果受到的影响因素较多，本研究还处于初步探索阶段，故对于颗粒粒径和材质的影响先不作研究，只对颗粒数量的影响进行分析确认。为此设计了圆柱形腔体和扇形腔体两种腔体样式的NOPD减振器。前者加工方便，但腔体体积占比较低，利用效率差。后者腔体体积占比高，能添加更多数量的颗粒，但加工难度大，需要开设专用模具，在初期研究阶段费用较高。为了降低制作费用，同时对比不同腔体材质对减振效果的影响，方案3及方案4采用3D打印技术制作，材料为尼龙+30%玻纤。由于转子内部安装有永磁体，NOPD减振器腔体内颗粒材质应避免使用具有磁性的颗粒，防止颗粒因磁力吸附作用无法运动。本研究选用粒径为0.5 mm铜质颗粒。铜的密度较大，恢复系数小。根据式（1），颗粒质量越大、恢复系数越小，弹性碰撞能耗越大，并且铜颗粒的制备简单，容易获取。制作完成的NOPD减振器安装在转子铁芯与上平衡块之间，如图2所示。

3 NOPD减振器效果验证

3.1 NOPD减振器效果验证

对4个方案中减振器的整机减振效果进行测试分析。振动测点选择常规测试测点，测量压缩机壳体在 3 210 r/min、4 800 r/min、5 100 r/min、5 400 r/min、5 700 r/min、6 000 r/min、6 900 r/min转速工况下，上部电机位置和下部泵体位置的上下方向和回转方向的振动加速度值，测试结果如图3至图6所示。

图2 安装NOPD减振器的电机转子

图3 上部上下方向振动

图4 上部回转方向振动

根据图3至图6可以看出，在压缩机上部和下部的上下方向以及下部回转方向上，没有安装NOPD减振器的批量机振动在所有转速工况下均远大于安装了NOPD减振器的试验机。在压缩机上部回转方向上，除了低转速3 210 r/min以及5 100 r/min和5 400 r/min的方案F2、F3以外，没有安装NOPD减振器的批量机振动均大于安装了NOPD减振器的试验机。可见安装在转子上的NOPD减振器确实对整机具有减振效果。

表1 用于转子减振的NOPD减振器设计参数

图5 下部上下方向振动

图6 下部回转方向振动

虽然NOPD减振器对整机振动具有明显的减振作用，但在所关心的压缩机壳体上部区域（电机定子热套位置）的回转方向，减振器的效果并不是特别理想，特别是在低转速时。这是由于安装转子的曲轴长轴段类似于悬臂梁结构，见图7。

图7 类似悬臂梁结构的曲轴长轴段

在转子上端安装NOPD减振器后，上平衡块上移，悬臂梁变长导致曲轴长轴段绕度增加，从而引起定转子间气隙变化增大、电磁振动变大，部分抵消了NOPD减振器的减振效果。

3.2 不同方案效果对比

本研究所涉及的4个方案主要对比了填充颗粒数量以及腔体材质对减振效果的影响。方案F1和F2的腔体结构样式和材质一致，但后者的深度是前者的两倍，填充颗粒数量比前者多近10%。方案F3和F4的腔体深度和材质一样，但后者的腔体体积占比远大于前者，颗粒填充数量比前者多近17%。分别比较方案F1和F2、方案F3和F4的减振效果。图8是方案F2与方案F1振动数据差值归一化后的结果对比，正值表示方案F2的振动大于方案F1，负值表示方案F2的振动小于方案F1。用同样的方法对比方案F4与方案F3，见图9。

图8 方案F2与方案F1对比数据差值归一化

图8中，颗粒填充数量居多的方案F2减振效果并没有明显优于方案F1，在中、低转速上整体振动要高于前者，在高转速时振动开始低于前者。在图9中，颗粒填充数量居多的方案F4减振效果则明显优于方案F3，符合颗粒数量多的NOPD减振器效果好的理论。之所以方案F2的减振效果不如方案F1，可能是由于前者腔体内部剩余空间体积偏小（剩余空间体积占比仅是后者的一半不到），导致颗粒之间没有足够的运动空间，减振效果变差。当腔体内部剩余空间体积一样时（方案F3和F4）,颗粒填充数量多的减振效果越好。

图9 方案F4与方案F3对比数据差值归一化

用同样的作图方法作图10，对比相同腔体结构、不同腔体材质的方案F2（质量较重）和方案F3（质量较轻）的减振效果。方案F3整体减振效果较好，但在低转速和高转速时，在更加关注的上部回转方向上（电机热套位置），方案F2的减振效果更好。

4 结语

本研究确认了NOPD减振器减振效果与颗粒填充数量之间的定性关系，为NOPD减振器的设计提供了普适性的一般规则，即在确保待减振体安全、可靠运行的前提下，腔体内部应尽可能多地填充颗粒，颗粒的质量应尽可能大。

图10 方案F3与方案F2对比数据差值归一化

试验结果验证了采用NOPD减振技术能有效降低转子压缩机的壳体振动。腔体内部颗粒填充数量越多，减振效果越好。但腔体内部应保留足够的空间以确保颗粒的有效运动。现有数据及方案数量还无法确认腔体材质与减振效果之间的关系。

NOPD技术在转子压缩机上的应用还处于起步阶段。还有很多方面可以进行深入研究来增强该技术在压缩机减振上的使用效果。本研究中直接将NOPD减振器添加在转子与上平衡块之间导致曲轴绕度增加，电机电磁振动加剧，影响了NOPD减振器在壳体上部回转方向的减振效果。在后续的研究中将对减振器的安装位置进行优化设计，确保NOPD减振器的存在不会引起其他振动的恶化。另外，对于NOPD减振器的设计参数，如腔体填充率、颗粒粒径等也将进行深入研究，找到合适的设计参数。

[1]PANOSSIAN H V.NOPD technology[A].Inthe Proceedings of Damping 91[C].San Diego California,1991,AAB-1-AAB-56.

[2]PANOSSIAN H V.Non-obstructive Impact Damping Applications for Cryogenic Environments[A].In the Proceedings of Damping 91[C].San Diego California,1991,KBC-1-KBC-9.

[3]方江龙，王小鹏，陈天宁，等.动理论在预测非阻塞性颗粒阻尼能量耗散中的应用[J].西安交通大学学报，2015，49(4)：12-17.

[4]张凯，陈天宁，王小鹏.非阻塞性颗粒阻尼器内部的颗粒莱顿弗罗斯特现象[J].西安交通大学学报，2016，50(8)：15-19.

[5]姚冰，陈前，项红荧，等.颗粒阻尼器近似理论模型研究[J].机械工程学报，2015，51(3)：87-93.

[6]于刚华，陈天宁.NOPD技术在板结构声辐射控制中的实验研究[J].噪声与振动控制，2003，10(5)：18-21.

[7]张向东.颗粒阻尼应用在建筑上试验初探[J].铁道建筑技术，2012(9)：21-23.

[8]闫维明，张向东，黄韵文，等.基于颗粒阻尼技术的结构减振控制[J].北京工业大学学报，2012，38(9)：1316-1320.

[9]徐志伟，陶宝祺，黄协清.NOPD颗粒减振机理的理论及实验研究[J].航空学报，2001，22(4)：347-350.

[10]鲁正，吕西林，闫维明.颗粒阻尼技术研究综述[J].振动与冲击，2013，32(7)：1-7.

[11]赵西伟.基于DEM的颗粒阻尼耗能机理的研究[D].沈阳：东北大学，2011.

Application of NOPD Technique to Vibration Reduction of Rotor Compressors

HUANG Bo,LU YIN-xiao
(Shanghai Hitachi ElectricAppliance Co.Ltd.,Shanghai 201206,China)

Vibration of compressor shafting system can cause the uneven air gap between the stator and the rotor,which will intensify the electromagnetic vibration of the motor.Traditional damping technique is not available for vibration and noise control due to the high temperature and high pressure conditions inside the compressors.In order to reduce the vibration of the compressor’s shafting,a technique named Non-obstacle Particle Damping(NOPD)is used and some special NOPD shock absorbers are designed for shafting vibration reduction.According to the structure of an inverter compressor,4 NOPD shock absorbers with different numbers of filled-in particles and cavity materials are made and installed to the rotors.Results of compressor vibration test show that the vibration of the compressor with NOPD shock absorbers installed is reduced apparently in contrast with the compressor without NOPD shock absorber.And the more particles are filled in,the better effect of vibration reduction is achieved.

vibration and wave;rotor compressor;NOPD shock absorber;experimental research

TH703.63

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.06.043

1006-1355(2017)06-0216-04+224

2017-05-22

黄波（1962-），男，上海市人，教授级高级工程师，主要研究方向为转子压缩机结构设计及减振降噪设计。E-mail:luyx@shec.com.cn